2019冠状病毒病夺走了今年科学研究的大部分氧气。但我们仍然取得了辉煌的胜利。

大流行不能把火箭或人打倒:很多任务在“火星之夏”被发射到红色星球。”两名宇航员推出了到国际空间站——而且安全地回来了——这将改变商业太空旅行的规则。美国国家航空航天局公布的许多研究发现太空旅行如何改变我们的身体,为我们在轨道上——或者将来在火星或更远的地方——保持健康铺平道路。

回到地球后,科学家们在泥塘里搜寻并捕鱼一种很小的CRISPR酶这对基因组编辑来说是一个巨大的打击。人工智能和神经科学甚至变得更加错综复杂——有时是字面上的。生物神经元有连着两个硅基的人工神经元,跨越多个国家,变成一个完全功能的生物混合神经网络。另一些则利用了多巴胺——大脑奖励系统的主要信使——将电学和化学计算结合起来变成一个半活的电脑。虽然这在很大程度上仍是一种好奇,但这些研究通过将活的神经元无缝地整合到人工智能硬件中,将大脑启发型计算机提升到了另一个水平。现在想象一下大脑中类似的回路Neuralink肯定是

更抽象地说,生物大脑和人工大脑在我们对智能的理解和创造中进一步相互补充。今年,科学家们在类似输入树的分支中发现了“微型计算机”的神经元。就像整个神经网络一样,这些线缆能够执行复杂的逻辑计算,这表明我们的脑细胞比我们之前认为的要聪明得多——这是人工智能可以学习的东西。另一方面,一种受大脑启发的热门算法叫做强化学习促使神经科学家重新进行研究我们如何在学习过程中对反馈做出反应。人工智能还帮助建立了最动态脑图谱到目前为止,这是一幅“活地图”,它可以不断地整合新数据,捕捉个体差异。

随着2020年的到来,我的脑海中浮现出两个主题,不仅是他们已经取得的成就,也预示着未来。这些都是我在未来一年中会关注的趋势。

抗衰老穿过车道

我们衰老的原因非常复杂。预防与年龄有关的疾病或减缓衰老过程本身的方法也是如此。这种第n维的复杂性几乎要求长寿研究需要自我隔离。

以探索驱动衰老的生物机制为例。例如,我们细胞的能量工厂会喷射出破坏细胞的子弹状分子。基因组变得不稳定。细胞转”类似于僵尸。“有效的干细胞消失了。组织再生。科学家们常常用整个职业生涯来了解一个单一的“衰老的标志或者寻找与年龄相关的基因。幸运的人想出了对付这一敌人的方法——例如senolytics,这是一种消灭僵尸细胞以防止与年龄有关的疾病的药物家族。

但衰老的特征并不会孤立地出现。他们一起工作。一个日益增长的趋势是揭示他们相互作用的“方式”——用科学的话说就是“相声”——希望一石二鸟。

今年,长寿研究人员跨越了车道。

一项研究例如,他们用干细胞方法恢复了视力下降的老年小鼠的视力。他们专注于一个显著的衰老特征:表观遗传学。我们的DNA上布满了成千上万的化学痕迹。随着年龄的增长,这些痕迹会越来越多。利用基因疗法,研究小组将三种“超级明星”基因导入年老老鼠的眼睛,使这些标记恢复,并对细胞进行重新编程,使其更年轻。你可能听说过这些基因:它们是将成年皮肤细胞转化为类似干细胞状态(即诱导多能干细胞)的四种因素中的三种。重置表观遗传时钟的效果非常强大,甚至提高了老年小鼠的视力,该团队现在已将这项技术授权给波士顿生命生物科学公司,以进一步开发用于人类的技术。

另一项研究将衰老的三个主要谜题——僵尸细胞、炎症和线粒体故障——结合起来,得出一个令人惊讶的结论:senolytics在细胞中具有多种抗衰老能力。说到一石二鸟。最后,一个团队(我也参与了这个项目)结合了两种很有希望的恢复大脑活力的方法——锻炼和年轻的血液——开始突破因衰老而导致的记忆力和认知能力衰退的极限。

长期以来,长寿研究一直是分散的,但现在已经开始分散了合并成一个多学科领域。这些跨界游戏只是对抗衰老的多头九头蛇的上升趋势的开始。还会有更多。

人工智能完全渗透到生物学中

如果你正在寻找人工智能正在离开雅达利游戏这一数字领域,进入现实世界的迹象,今年正是时候。

在生物技术领域,人工智能在药物发现或医疗诊断方面的前景毋庸置疑。在2019年末,一个团队利用深度学习和生成模型——类似于AlphaGo, DeepMind的算法在围棋上打败了人类,清空了雅达利图书馆——变出了超过3万种新药分子,这是化学家们做梦也想不到的壮举。今年,病毒飓风Covid-19进一步释放了基于人工智能的药物发现,如检查现有药物可能对抗病毒的候选人,或者- - - - - -设计用于对抗SARS-CoV-2感染(导致Covid-19的病毒)的化学物质。

目前,我们还没有一种人工智能设计的药物上市,这是对该技术前景的终极测试。然而,尽管人工智能未能在当前的大流行斗争中引起轰动,但应对下一个大流行的场景——药物发现作为一个整体——已经做好了准备。

相比之下,基于人工智能的医疗诊断获得了巨大的胜利。今年,FDA批准了一款软件该公司利用人工智能为心脏超声成像提供实时指导,基本上允许那些没有经过专门训练的人执行这项测试。批准后,总共带来29项fda批准的基于人工智能的医疗技术到目前为止。即使这场辩论在“人工智能医生”的信任、道德和责任方面,“潘多拉的盒子”被打开了。

除了医学之外,深度学习还在各个领域进一步磨练了它的技能。神经科学与人工智能的结合是长久以来没有破裂迹象的婚姻。在大脑之外,人工智能也给了合成生物学通过分析基因和基因网络之间的相互作用,这是一个令人费解、极其复杂的问题,以前只有通过反复试验才能解决。在人工智能的帮助下,合成生物学家可以预测细胞中一个基因的变化如何影响其他基因,进而影响细胞的生物化学和行为。总而言之:这使得设计新的生物电路变得更加容易,比如让酵母生产绿色燃料或人工啤酒花啤酒。

但在grâce对人工智能作为一项被过度炒作的技术的致命一击是DeepMind对a长达50年的生物学挑战。DeepMind的AlphaFold的表现让专家们震惊,它能够从188体育365蛋白质的氨基酸序列(蛋白质的各个组成部分)预测蛋白质的3D结构,这与当前的黄金标准相匹配。蛋白质作为我们身体的主力,支配着我们的生命。从某种意义上说,AlphaFold解决了生命生物学的一大块问题,对药物发现和合成生物学都有意义。

二等奖

今年的另一个科学亮点是光在神经科学和组织工程中的应用。一项研究例如,该公司利用激光直接在老鼠皮肤下打印出一个类似人耳的结构,而不需要进行任何手术。另一个利用光来感知老鼠的气味,人工编程一种全新的、自然界中从未见过的气味感知直接进入老鼠的大脑。然而,另一项研究将激光和虚拟现实技术结合起来分析我们的大脑是如何处理空间和导航的,将鼠标“精神运输”到一个与奖励相关的虚拟位置。更糟糕的是,科学家们找到了新的方法不用手术就能利用光线通过颅骨控制大脑——尽管到目前为止,你仍然需要基因治疗。考虑到未经授权的“精神控制”的含义,这可能不是一个bug,而是一个特性。

我们正接近2019冠状病毒病(Covid-19)令人沮丧的缓慢,但毫无疑问的垂死挣扎。大流行确定了2020年,但科学仍在继续推进。我迫不及待地想和你分享明年可能会发生的事情——可能是革命性的,可能是可怕的,可能是完全怪异的,也可能是奇怪的暖心的。

*例如,“为什么野生大熊猫经常在马粪里打滚是的,这就是一项研究的真正名称。是的,这是一本好书。是的,这很搞笑,但也有道理。

图片来源:Greyson Joralemon在Unsplash上

范雪来是一位神经科学家出身的科学作家。她在不列颠哥伦比亚大学(University of British Columbia)完成了神经科学博士学位,在那里她开发了神经退化的新疗法。在研究生物大脑时,她开始对人工智能和所有生物技术着迷。毕业后,她搬到了加州大学旧金山分校,研究以血液为基础的因素,使衰老的大脑恢复活力。她是……

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